The effect of thermal modification of turbostratic carbon on its fractal structure

В.І. Мандзюк; Р.П. Лісовський; Ю.О. Кулик; Б.І. Рачій; Р.В. Соломовський

doi:10.15330/pcss.25.1.51-56

Автор(и)

В.І. Мандзюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Р.П. Лісовський Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Ю.О. Кулик Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Б.І. Рачій Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Р.В. Соломовський Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.51-56

Ключові слова:

пористий вуглецевий матеріал, термічна модифікація, низькотемпературна порометрія, питома поверхня, поверхнева фрактальна розмірність

Анотація

Методом низькотемпературної порометрії досліджено фрактальну структуру пористих вуглецевих матеріалів (ПВМ), отриманих термічною модифікацією при різних режимах. Встановлено, що за температур модифікації 300 і 600°С формуються матеріали з розвиненою мікропористою структурою, поверхнева фрактальна розмірність яких становить 2,6. За температур модифікації 400 і 500°С значення фрактальної розмірності поверхні зменшується до значення 2,22, що свідчить про формування майже гладкої поверхні за рахунок інтенсивного видалення атомів карбону з приповерхневих шарів частинок матеріалу, зменшення кількості мікропор з їх переходом у мезопори, об’єднання дрібних вуглецевих кластерів в більш крупніші та формування мікрочастинок непористого вуглецевого матеріалу.

Посилання

Z. Guan, Z. Guan, Z. Li, J. Liu, K. Yu, Characterization and preparation of nanoporous carbon derived from hemp stems as anode for lithium-ion batteries, Nanoscale Research Letters, 14, 338 (2019); https://doi.org/10.1186/s11671-019-3161-1.

Y. Dou, X. Liu, K. Yu, X. Wang, W. Liu, J. Liang, C. Liang, Biomass porous carbon derived from jute fiber as anode materials for lithium-ion batteries, Diamond and Related Materials, 98. 107514 (2019); https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.107514.

V.I. Mandzyuk, V.A. Povazhnyi, B.I. Rachiy, Anthracite-derived porous carbon as electrode material of lithium power sources, Journal of Nano- and Electronic Physics, 10(4), 04033 (2018); https://doi.org/10.21272/jnep.10(4).04033.

D.S. Priya, L.J. Kennedy, G.T. Anand, Emerging trends in biomass-derived porous carbon materials for energy storage application: A critical review, Materials Today Sustainability, 21, 100320 (2023); https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100320.

Z. Pan, S. Yu, L. Wang, C. Li, F. Meng, N. Wang, S. Zhou, Y. X, Z. Wang, Y. Wu, X. Liu, B. Fang, Y. Zhang, Recent advances in porous carbon materials as electrodes for supercapacitors, Nanomaterials, 13(11), 1744 (2023); https://doi.org/10.3390/nano13111744.

A.I. Kachmar, V.M. Boichuk, I.M. Budzulyak, V.O. Kotsyubynsky, B.I. Rachiy, R.P. Lisovskiy, Effect of synthesis conditions on the morphological and electrochemical properties of nitrogen-doped porous carbon materials, Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 27(9), 669 (2019); https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1618840.

J. Zhou, A. Luo, Y. Zhao, Preparation and characterisation of activated carbon from waste tea by physical activation using steam, Journal of the Air & Waste Management Association, 68(12), 1269 (2018); https://doi.org/10.1080/10962247.2018.1460282.

M. Hӓrmas, T. Thomberg, H. Kurig, T. Romann, A. Jӓnes, E. Lust, Microporouse mesoporous carbons for energy storage synthesized by activation of carbonaceous material by zinc chloride, potassium hydroxide or mixture of them, Journal of Power Sources, 326, 624 (2016);https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.04.038.

Yu. Starchuk, N. Ivanichok, I. Budzulyak, S.-V. Sklepova, O. Popovych, P. Kolkovskyi, B. Rachiy, Electrochemical properties of nanoporous carbon material subjected to multiple chemical activation, Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 30(9), 936 (2022); https://doi.org/10.1080/1536383X.2022.2043285.

G. Zhou, J. Yin, Z. Sun, X. Gao, F. Zhu, P. Zhao, R. Lia, J. Xu, An ultrasonic-assisted synthesis of rice-straw-based porous carbon with high performance symmetric supercapacitors, RSC Advances, 10(6), 3246 (2020); https://doi.org/10.1039/c9ra08537h.

H. Hu, Q. Li, L. Li, X. Teng, Z. Feng, Y. Zhang, M. Wu, J. Qiu,Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion, Matter, 3(1), 95 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.05.001.

W. Cha, S. Kim, P. Selvarajan, J.M. Lee, J.M. Davidraj, S. Joseph, K. Ramadass, I.Y. Kim, A. Vinu, Nanoporous carbon oxynitride and its enhanced lithium-ion storage performance, Nano Energy, 82, 105733 (2021); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105733.

V.I. Mandzyuk, I.F. Myronyuk, V.M. Sachko, I.M. Mykytyn, Template synthesis of mesoporous carbon materials for electrochemical capacitors, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 56(1), 93 (2020); https://doi.org/10.3103/S1068375520010123.

L. Xie, Z. Jin, Z. Dai, Y. Chang, X. Jiang, H. Wang. Porous carbons synthesized by templating approach from fluid precursors and their applications in environment and energy storage: A review, Carbon, 170, 100 (2020); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.034.

V.I. Mandzyuk, R.P. Lisovskiy, Fractal structure of nanoporous carbon obtained by hydrothermal carbonization of plant raw materials, Journal of Nano- and Electronic Physics, 14(5), 05027 (2022); https://doi.org/10.21272/jnep.14(5).05027.

S.J. Gregg, K.S.W. Sing, Adsorption, surface area and porosity (Academic, London,1982).

P. Pfeifer, K.-Y. Liu, Multilayer adsorption as a tool to investigate the fractal nature of porous adsorbents, Studies in Surface Science and Catalysis, 104, 625 (1997); https://doi.org/10.1016/S0167-2991(97)80075-4.

I.M.K. Ismail, P. Pfeifer, Fractal analysis and surface roughness of nonporous carbon fibers and carbon black, Langmuir, 10(5), 1532 (1994); https://doi.org/10.1021/la00017a035.

B.K. Ostafiychuk, V.I. Mandzyuk, Yu.O. Kulyk, N.I. Nagirna, SAXS investigation of nanoporous structure of thermal-modified carbon material, Nanoscale Research Letters, 9(1), 160 (2014); https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-160.